Forskerne har gjort målinger i mineralet apatitt i bunnen av Grand Canyon, der Coloradoelva renner.

Mineralet apatitt er et kalsiumfosfat. På kalsiums plass i mineralstrukturen kan noe uran og thorium gå inn i plassene.

Uran (med isotopene uran-238 og uran-235) og thorium (isotopen thorium-232) er radioaktive grunnstoffer, og gjennomgår hele tiden radioaktive nedbrytninger.

De radioaktive isotopene brytes ned i mange trinn, og sender ut partikkelstråling av typen beta (elektroner) og alfa (heliumkjerner).

Helium-4

Heliumkjernene som dannes, er isotopen helium-4, med to protoner og to nøytroner. Dette er også den vanligste naturlig forekommende isotopen, med prosentandel 99,999863.

Helium-4 diffunderer ut av steinene. Når temperaturen er under 30 grader C, diffunderer ingenting. Når temperaturen er over 70 grader C, diffunderer alt.

Det betyr at diffusjonshastigheten er en funksjon av temperaturen, innenfor et visst temperaturområde.

Temperaturgradient

Under overflaten øker temperaturen i jordskorpen. Dette har to årsaker. Den første er langsom oppvarming fra radioaktive isotoper i berggrunnen. Den andre er lokal oppvarming fra grunn magma.

Til sammen gir disse to faktorene en bestemt temperaturgradient nedover. Normalgradienten under kontinentene er på 25-30 grader C pr. kilometer. Under Rio Grande-kløften gir magma en 4,5-dobling av denne normalgradienten.

Hvis bergartene kommer nærmere overflaten, for eksempel ved at en elv graver vekk overliggende berg, vil temperaturen synke. Da vil også diffusjonen av helium-4 avta innenfor temperaturområdet 30-70 grader C, og mengden helium-4 øke som en funksjon av tiden som har gått.

Forskerne måler forholdet mellom isotopene helium-4 og helium-3 i apatitten. Helium-3 er mye sjeldnere enn helium-4, men diffunderer ikke i det hele tatt.

Hvis temperaturgradienten er kjent, blir tempoet på erosjonen av overliggende berg en funksjon av avkjølingstiden. Slik har forskerne beregnet hvor raskt elva har gravd ut Grand Canyon.

Usikker gradient

Men temperaturgradienten er ikke nødvendigvis kjent. Det hefter stor usikkerhet rundt temperaturgradienter i paleolittisk tid, ifølge geologen Tom V. Segalstad ved Naturhistorisk museum, Universitetet i Oslo.

I 2005 gjorde Gwilym J. Lynn en PhD-avhandling ved Universitetet i Edinburgh. Her skriver han at det er en utfordring å finne riktig paleotermal gradient, og at det kan finnes store usikkerheter.

Dagens temperaturgradienter kan også være vanskelige å beregne på grunn av lokale anomalier, skriver Lynn videre.

- Termokronometri kan altså være vanskelig å anvende, spesielt når det er og har vært omfattende vulkanisme og høy varmestrøm i Grand Canyon-området, tilføyer Segalstad.

- At det er relativt lav varmestrøm i den vestre delen av Grand Canyon i dag, er ikke nødvendigvis noe som har vart i de ca. 70 foregående millioner av år, avslutter han.